物理人教版必修2學(xué)案7-10能量守恒定律與能源

10能量守恒定律與能源知識(shí)點(diǎn)一能量守恒定律1．導(dǎo)致能量守恒定律最后確立的兩類重要事實(shí)是：確認(rèn)了永動(dòng)機(jī)的不可能性和發(fā)現(xiàn)了各種自然現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化．2．內(nèi)容：能量既不會(huì)消滅，也不會(huì)創(chuàng)生，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變．這就是能量守恒定律．3．機(jī)械能守恒定律與能量守恒定律的關(guān)系機(jī)械能守恒定律是普遍的能量守恒定律在特殊背景下的一種特殊表現(xiàn)形式．司機(jī)關(guān)閉油門后，汽車慢慢停下來，汽車的機(jī)械能消失了嗎？提示：能量并沒有消失，而是通過輪胎與地面的摩擦，機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能．知識(shí)點(diǎn)二能源與能量耗散1．能源是人類社會(huì)生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類利用能源從遠(yuǎn)古到今天經(jīng)歷了柴薪時(shí)期、煤炭時(shí)期和石油時(shí)期三個(gè)時(shí)期．2．能量耗散：燃料燃燒時(shí)一旦把自己的熱量釋放出去，它就不會(huì)再次聚集起來供人類重新利用．電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，它又通過燈泡轉(zhuǎn)化成內(nèi)能和光能，熱和光被其他物質(zhì)吸收之后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們也無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用．這種現(xiàn)象叫做能量的耗散．能量耗散表明，能量在轉(zhuǎn)化過程中，數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用變成不便于利用了．近幾年流行一種“自發(fā)電電動(dòng)車”，基本原理是將一小型發(fā)電機(jī)緊靠車輪處，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)出的電又繼續(xù)供給電動(dòng)車，你認(rèn)為僅靠這種方式，電動(dòng)車能持續(xù)運(yùn)動(dòng)下去嗎？提示：僅靠這種方式，不能使電動(dòng)車持續(xù)運(yùn)動(dòng)下去，因?yàn)榭窟@種方式，只能將電動(dòng)車的一部分能量收集起來，但電動(dòng)車運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力做負(fù)功，不斷把電動(dòng)車的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，根據(jù)能量守恒定律，要想使電動(dòng)車持續(xù)運(yùn)動(dòng)下去，必須不斷地給電動(dòng)車補(bǔ)充新的能量，如用腳蹬電動(dòng)車或給電動(dòng)車的電源充電．考點(diǎn)一能量與能量守恒定律(1)能量一個(gè)物體能夠?qū)ν庾龉?，我們就說這個(gè)物體具有能量．(2)建立定律的兩個(gè)重要事實(shí)①確認(rèn)了永動(dòng)機(jī)的不可能性．②各種自然現(xiàn)象之間能量的相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化．(3)能量守恒定律①內(nèi)容：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，而在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變．這個(gè)規(guī)律叫做能量守恒定律．②表達(dá)式：E初＝E末或ΔE增＝ΔE減．③應(yīng)用能量轉(zhuǎn)換和守恒定律解題的一般步驟：a．明確研究的對(duì)象及過程；b．搞清在這個(gè)過程中有哪些能量參與了轉(zhuǎn)化；c．確定參與轉(zhuǎn)化的能量中有哪些能量增加，哪些能量減少；d．列出增加的能量和減少的能量之間的守恒式(或初、末狀態(tài)能量相等的守恒式)④能量守恒定律的重要意義a．能量守恒定律是普遍適用的．是學(xué)習(xí)物理學(xué)的一條主線．b．能量守恒定律對(duì)人類認(rèn)識(shí)自然、改造自然起著重要的指導(dǎo)作用．c．能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)是19世紀(jì)自然科學(xué)中三大發(fā)現(xiàn)之一．【例1】關(guān)于能源的利用和節(jié)能，下列說法正確的是()A．根據(jù)能量守恒定律，能源的利用率應(yīng)該是100%B．由于能量既不會(huì)憑空消失，也不會(huì)憑空產(chǎn)生，總是守恒的，所以節(jié)約能源的意義不大C．節(jié)約能源只要提高節(jié)能意識(shí)就行，與科學(xué)進(jìn)步無關(guān)D．在能源的利用中，總會(huì)有一部分能源未被利用而損失掉解答本題時(shí)應(yīng)把握以下兩點(diǎn)：(1)能量守恒定律說明能量是守恒的．(2)能量耗散說明能量的轉(zhuǎn)化具有方向性．【解析】能源的使用在任何情況下都不可能達(dá)到理想狀態(tài)，做到?jīng)]有任何損失，雖然遵從能量守恒定律，但它指的是損失部分和被利用部分總和與原來的能量總量相等，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，D正確；根據(jù)能量轉(zhuǎn)化的方向性可知，能量經(jīng)轉(zhuǎn)化后，可利用的能量只可能減少，不可能增加，因此節(jié)能的意義重大，同時(shí)，只有節(jié)能意識(shí)是不夠的，必須利用科技手段來提高能源的利用率，不斷開發(fā)新能源，以滿足人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤．【答案】D總結(jié)提能任何違背能量守恒定律的過程都是不可能實(shí)現(xiàn)的，但是不能認(rèn)為不違背能量守恒定律的過程就一定能實(shí)現(xiàn)，事實(shí)上物理過程能否實(shí)現(xiàn)不僅要受能量守恒定律的制約，同時(shí)還要受到物理過程方向性的制約(如能量耗散)．(多選)下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)化的說法中，正確的是(ABC)A．能量在轉(zhuǎn)化過程中，有一部分能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用B．各種形式的能量在轉(zhuǎn)化時(shí)，總能量是不變的C．在能源的利用過程中，能量的總量并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的變成了不便于利用的D．各種能量在不轉(zhuǎn)化時(shí)是守恒的，但在轉(zhuǎn)化時(shí)是不守恒的解析：根據(jù)能量守恒定律可知，不論在能量的轉(zhuǎn)化還是在能量的轉(zhuǎn)移過程中，能量的總量都是不變的．由能量耗散知，在能量轉(zhuǎn)化的過程中，有一部分能量轉(zhuǎn)化為周圍環(huán)境的內(nèi)能，而我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用，這表明，在能源的利用過程中，能量的總量并未減少，但是在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的變成不便于利用的了，而自然界的能量仍是守恒的．故選項(xiàng)A、B、C正確．考點(diǎn)二功能關(guān)系(1)功是能量轉(zhuǎn)化的量度做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化的過程，做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化．利用這種關(guān)系可以定量地研究能量及其轉(zhuǎn)化的問題．功和能量是有區(qū)別的：功是過程量，能量是狀態(tài)量．只能說處于某一狀態(tài)的物體(或系統(tǒng))具有多少能量，而不能說這個(gè)物體(或系統(tǒng))具有多少功；功是能量轉(zhuǎn)化的量度，決不能說“功是能的量度”．因?yàn)楣χ荒苡脕砹慷仍谀尺^程中能量轉(zhuǎn)化的多少，而不能用來量度物體在某一狀態(tài)所具有的能量．(2)功能關(guān)系我們關(guān)心的大多是能量的轉(zhuǎn)化量，而不是能量的具體數(shù)值，能量的轉(zhuǎn)化必須通過做功才能實(shí)現(xiàn)，某種力做功往往與某一具體的能量變化相聯(lián)系，即所謂功能關(guān)系．(3)幾種常見的功能關(guān)系【例2】如圖所示，在豎直平面內(nèi)有一半徑為R的圓弧軌道，半徑OA水平、OB豎直，一個(gè)質(zhì)量為m的小球自A點(diǎn)的正上方P點(diǎn)由靜止開始自由下落，小球沿軌道到達(dá)最高點(diǎn)B時(shí)恰好對(duì)軌道沒有壓力．已知AP＝2R，重力加速度為g，則小球從P到B的運(yùn)動(dòng)過程中()A．重力做功2mgR B．機(jī)械能減少mgRC．合外力做功mgR D．克服摩擦力做功eq\f(1,2)mgR解答本題時(shí)應(yīng)把握以下兩點(diǎn)：(1)小球沿軌道到達(dá)最高點(diǎn)B時(shí)恰好對(duì)軌道沒有壓力，說明此時(shí)只有重力提供向心力．(2)合外力對(duì)小球做的功等于小球動(dòng)能的變化．【解析】小球從A點(diǎn)正上方由靜止釋放，通過軌道最高點(diǎn)B時(shí)恰好對(duì)軌道沒有壓力，此時(shí)只有重力提供向心力，根據(jù)牛頓第二定律有mg＝meq\f(v2,R)，解得v2＝gR，小球從P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，重力做的功為mgR，設(shè)摩擦力做的功為W，根據(jù)動(dòng)能定理有mgR＋W＝eq\f(1,2)mv2＝eq\f(1,2)mgR，故合外力做的功為eq\f(1,2)mgR，摩擦力做的功為W＝－eq\f(1,2)mgR，由功能關(guān)系知小球的機(jī)械能減少eq\f(1,2)mgR.選項(xiàng)D正確．【答案】D總結(jié)提能功是能量轉(zhuǎn)化的量度，做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化的過程．某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加，且減少量和增加量一定相等；某個(gè)物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等．因此應(yīng)用能量守恒定律解題時(shí)，首先應(yīng)確定初、末狀態(tài)，其次要搞清哪種形式的能量減少了，哪種形式的能量增加了，最后由ΔE增＝ΔE減列式求解．(多選)如圖所示，質(zhì)量為M、長(zhǎng)為L(zhǎng)的平板小車置于光滑的水平面上，一質(zhì)量為m的滑塊放置在小車左端，滑塊與小車間的滑動(dòng)摩擦力大小為f.用水平的恒定拉力F作用于滑塊，當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)到小車右端時(shí)，小車在地面上移動(dòng)的距離為s，滑塊速度為v1，小車速度為v2.下列結(jié)論中正確的是(BD)A．上述過程中，F(xiàn)做的功為eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)＋eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,2)B．上述過程中，滑塊和小車產(chǎn)生的內(nèi)能為Q＝fLC．其他條件不變的情況下，F(xiàn)越大，滑塊到達(dá)小車右端所用的時(shí)間越長(zhǎng)D．其他條件不變的情況下，M越大，s越小解析：將滑塊和小車看做一個(gè)整體，拉力F做的功等于系統(tǒng)增加的機(jī)械能和產(chǎn)生的內(nèi)能之和，即WF＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)＋eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,2)＋Q，其中產(chǎn)生的內(nèi)能Q＝fL，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；對(duì)滑塊和小車受力分析，由牛頓第二定律得，am＝eq\f(F－f,m)，aM＝eq\f(f,M)，設(shè)滑塊從小車左端運(yùn)動(dòng)到右端所用時(shí)間為t，則有eq\f(1,2)amt2＝L＋s，eq\f(1,2)aMt2＝s，可得eq\f(1,2)amt2－eq\f(1,2)aMt2＝L，分析可知，選項(xiàng)C錯(cuò)誤，D正確．考點(diǎn)三能源與能量耗散1．能源能源指能夠提供可利用能量的物質(zhì)，它是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)．(1)分類①從人類開發(fā)能源的歷史劃分．常規(guī)能源：已被廣泛應(yīng)用的能源，如煤、石油、天然氣、水力等．新能源：指目前尚未被人類大規(guī)模利用而有待進(jìn)一步研究、開發(fā)和利用的能源，如核能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能等．②從使用分類．一次能源：未?jīng)人工加工的能源，如煤、石油、天然氣、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、海洋能等．二次能源：從一次能源直接或間接轉(zhuǎn)化來的能源．如：電能、氫能、焦炭．③從能否再生分類．可再生能源：水能、風(fēng)能等．不可再生能源：石油、煤等．④從對(duì)環(huán)境的影響分類．清潔能源(也稱“綠色環(huán)保”能源)：太陽能、風(fēng)能等．非清潔能源：煤、石油、天然氣等．(2)常規(guī)能源和新能源的轉(zhuǎn)化方式(如下圖所示)．2．能量耗散能量守恒定律指明各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，且在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中總和不變，但實(shí)際上，能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移也不是任意的，涉及內(nèi)能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移都是有方向的，這表現(xiàn)在：(1)機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變化．機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能不需要專門的裝置，而內(nèi)能要轉(zhuǎn)化為機(jī)械能卻很復(fù)雜．蒸汽機(jī)是人類發(fā)明的第一種把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，開始了對(duì)能源的大規(guī)模利用，推動(dòng)了第一次工業(yè)革命的發(fā)展．后來又陸續(xù)發(fā)明了各種熱機(jī)，如柴油機(jī)、汽油機(jī)等，直至噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，但無論何種熱機(jī)，都不可能百分之百地把內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，即熱機(jī)的效率一定小于1.(2)熱量總是自發(fā)地從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移，而不能自動(dòng)地從低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移．機(jī)械能和其他形式的能一旦變?yōu)閮?nèi)能，它就不會(huì)再次自動(dòng)聚集起來供人類重新利用，這種現(xiàn)象叫能量的耗散．能量耗散表明，在能源的利用過程中，雖然能源的數(shù)量并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的變成不便于利用的了，這是能源危機(jī)更深層次的含義．【例3】風(fēng)能是一種環(huán)保型能源，目前我國風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量已達(dá)2640MW(MW表示兆瓦)．風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能．設(shè)空氣的密度為ρ，水平風(fēng)速為v，風(fēng)力發(fā)電機(jī)每個(gè)葉片的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率為η.(1)求該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率P的數(shù)學(xué)表達(dá)式；(2)若某地平均水平風(fēng)速為v＝10m/s，空氣密度ρ＝1.3kg/m3，所用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)度L＝4m，效率η＝25%，平均每天發(fā)電20小時(shí)，則平均每天能獲得多少電能？在研究空氣流的動(dòng)能時(shí)，可取時(shí)間t，把空氣流看成為vt的“空氣柱”，它的動(dòng)能通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能．【解析】(1)葉片旋轉(zhuǎn)所形成的圓面積為S＝πL2時(shí)間t內(nèi)流過該圓面積的空氣柱體積為V＝Svt＝πL2vt空氣柱的質(zhì)量為m＝ρV＝ρπL2vt空氣柱的動(dòng)能為Ek＝eq\f(1,2)mv2＝eq\f(1,2)ρπL2v3t轉(zhuǎn)化成的電能為E＝ηEk＝eq\f(1,2)ηρπL2v3t發(fā)電功率為P＝eq\f(E,t)＝eq\f(1,2)ηρπL2v3(2)將已知數(shù)據(jù)代入可求得平均每天獲得的電能為E＝Pt＝eq\f(1,2)×0.25×1.3×3.14×42×103×20×3600J≈5.88×108J.【答案】(1)P＝eq\f(1,2)ηρπL2v3(2)5.88×108J總結(jié)提能以新能源的開發(fā)與利用為背景的試題，實(shí)際上是考查基礎(chǔ)知識(shí)和基本規(guī)律的應(yīng)用．解答這類問題的基本思路是從題目所述的情景中抽象出物理模型，然后利用相應(yīng)的物理規(guī)律求解．風(fēng)力發(fā)電是一種環(huán)保的電能獲取方式，設(shè)計(jì)每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率為40kW.實(shí)驗(yàn)測(cè)得風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率約為20%，空氣的密度是1.3kg/m3，當(dāng)?shù)厮斤L(fēng)速約為10m/s，問風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)度約為多少才能滿足設(shè)計(jì)要求？解析：設(shè)葉片長(zhǎng)度為r，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)形成的圓面積為S＝πr2取時(shí)間t內(nèi)通過該圓面積的空氣流為研究對(duì)象．則這部分空氣流的質(zhì)量為m＝ρV＝ρπr2vt空氣流的動(dòng)能為Ek＝eq\f(1,2)mv2＝eq\f(1,2)ρπr2v3t發(fā)電功率P＝eq\f(20%Ek,t)＝eq\f(1,10)ρπr2v3代入數(shù)據(jù)解得r＝eq\r(\f(10P,ρπv3))≈9.9m，所以葉片長(zhǎng)度約為9.9m才能滿足設(shè)計(jì)要求．答案：9.9m1．關(guān)于能量和能源，下列說法中正確的是(B)A．由于自然界的能量守恒，所以不需要節(jié)約能源B．在利用能源的過程中，能量在數(shù)量上并未減少C．能量耗散說明能量在轉(zhuǎn)化過程中沒有方向性D．人類在不斷地開發(fā)和利用新能源，所以能量可以被創(chuàng)造解析：自然界的總能量是守恒的，能量只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式或從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，能量不可能被創(chuàng)造；在利用能源的過程中，能量在數(shù)量上并未減少，能量耗散使能量的利用品質(zhì)降低了，能量轉(zhuǎn)化具有方向性，因此要節(jié)約能源，故選項(xiàng)B正確，A，C，D錯(cuò)誤．2．下列說法正確的是(C)A．隨著科技的發(fā)展，永動(dòng)機(jī)是可以制成的B．太陽照射到地球上的光能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空間的能量都消失了C．“既要馬兒跑，又讓馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，因而是不可能的D．有種“全自動(dòng)”手表，不用上發(fā)條，也不用任何形式的電源，卻能一直走動(dòng)，說明能量可以憑空產(chǎn)生解析：永動(dòng)機(jī)是指不消耗或少消耗能量，而可以大量對(duì)外做功的裝置，這種裝置違背了能量守恒定律，所以永動(dòng)機(jī)是永遠(yuǎn)不可能制成的，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；太陽輻射大量的能量，地球只吸收了極少的一部分，使萬物生長(zhǎng)，但輻射到宇宙空間的能量也沒有消失，而是轉(zhuǎn)化成了別的能量，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；馬和其他動(dòng)物，包括人，要運(yùn)動(dòng)，必須消耗能量，選項(xiàng)C正確；所謂“全自動(dòng)”手表，內(nèi)部還是有能量轉(zhuǎn)化裝置的，一般是一個(gè)擺錘，當(dāng)人戴著手表活動(dòng)時(shí)，使擺錘不停擺動(dòng)，給游絲彈簧補(bǔ)充能量，才會(huì)維持手表的運(yùn)行，如果把這種手表放在桌面上靜置幾天，它一定會(huì)停止走動(dòng)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．3．(多選)如圖所示是流星在夜空中發(fā)出的明亮光焰，此時(shí)會(huì)有人在內(nèi)心里許下一個(gè)美好的愿望．有些流星是外太空物體被地球強(qiáng)大引力吸引墜落到地面的過程中同空氣發(fā)生劇烈摩擦產(chǎn)生的．下列相關(guān)說法正確的是(AC)A．形成流星的物體同空氣摩擦?xí)r部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能B．引力對(duì)形成流星的物體做正功，其動(dòng)能增加，機(jī)械能守恒C．當(dāng)形成流星的物體的速度方向與空氣阻力和重力的合力不在同一直線上時(shí)，形成流星的物體做曲線運(yùn)動(dòng)D．形成流星的物體進(jìn)入大氣層后做斜拋運(yùn)動(dòng)解析：形成流星的物體同空氣摩擦?xí)r部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，A正確；引力對(duì)形成流星的物體做正功，除了重力之外還有其他力做功，機(jī)械能不守恒，